金刚石作为自然界最坚硬的物质，其出色的光学和热物性使之在电子、工业制造和热管理等领域发挥了重要作用。此外，作为拉曼增益介质，金刚石晶体的高拉曼增益系数（~10 cm/GW@1 μm）和大拉曼频移（1332.3 cm-1）使得金刚石拉曼激光器在产生高功率特殊波长激光方面展现了突出优势。
报道显示，人们仅利用mm2的通光口径的金刚石就已实现稳态功率高达千瓦的单一波长和百瓦的多波长拉曼激光输出。目前，光学级金刚石晶体有限的尺寸成为制约金刚石激光器功率提升的关键，特别在短脉冲、高峰值功率的泵浦条件下，其输出的单脉冲能量往往仅在nJ至mJ量级。
我国是全球最大的人造金刚石生产国，垄断了全球90%以上工业金刚石的市场份额。如今，国产的人工单晶金刚石晶体尺寸已达到了1 cm3量级，且生长成本也逐年降低，这为推动金刚石激光器的国产化和激光产业发展起到了重要支撑。
近日，河北工业大学吕志伟和白振旭教授团队与宁波晶钻科技股份有限公司合作，利用国产4×4×7 mm3大尺寸光学级CVD单晶金刚石晶体作为拉曼增益介质，通过设计大口径的光泵浦振荡器结构，实现了峰值功率大于1.5 MW的纳秒拉曼激光输出。
图1 峰值功率MW的金刚石拉曼激光振荡器
项目团队为了提高金刚石的泵浦光负载，利用透镜组将泵浦光尺寸调节成直径约为2.5 mm的平行光，拉曼振荡器采用平平腔结构，腔长仅为15 mm。采用电光调Q的1064 nm纳秒激光器作为泵浦，在最大泵浦能量为45 mJ时，得到了波长1240 nm、单脉冲能量11.2 mJ的拉曼激光输出，转换效率约为25%。最大输出能量时的拉曼脉宽约为7 ns，对应的最大峰值功率达1.6 MW。
图2 输出特性（a）拉曼输出能量随泵浦能量变化曲线（b）最大泵浦能量下对应的拉曼输出波形（插图为拉曼输出光谱）
该工作首次报道了国产大尺寸金刚石在纳秒脉冲泵浦的条件下实现单脉冲能量大于10 mJ的拉曼激光输出，系目前国际上报道的最高能量和最高峰值功率的短脉冲金刚石拉曼激光器。结果证明了国产大尺寸人造光学级CVD金刚石晶体在实现高功率拉曼激光输出上的可行性。
图3 项目研究团队（左一：项目负责人白振旭教授）
项目团队面向国家对高功率特殊波长激光的重大需求，以项目为牵引、应用为导向，通过校企联合的方式，共同探索大尺寸金刚石晶体的光学特性，研究影响金刚石激光器输出参数的核心要素，进而提高我国光学级金刚石晶体的自主可控能力和自研金刚石激光器的性能，推动高功率特殊波长激光技术发展及产业应用。
河北工业大学先进激光技术研究中心成立于2018年，吕志伟教授为学术带头人，团队致力于高功率激光技术和应用的研究，2020年以中心作为依托单位获批河北省先进激光技术与装备重点实验室。中心现拥有包括国家级和省级人才计划入选者在内的教师22人，在读博士和硕士研究生140余人。近五年，成员承担包括国家自然科学基金重大科研仪器研制项目、国防173、装备发展部领域基金在内的科研项目90余项，荣获中央军委军队科技进步一等奖、河北省技术发明二等奖等科技奖励10余项，以及国际光学工程学会个人奖、Rising Stars of Light等光学领域学术奖励10余项。
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